复合加工的基本形式及典型应用

　　复合加工技术主要解决2 个方面的问题：特殊结构与复杂结构的加工、难加工材料及脆硬材料的加工。目前，复合加工技术已经在航空、航天、兵器和原子能等工业领域中难加工材料的高效加工中逐步进入广泛应用阶段。近代迅猛发展的精密机械和电子工业中大量使用硬脆材料( 如硬质合金、陶瓷、光学玻璃和宝石等) 和晶体材料( 如半导体晶片、单晶体和蓝宝石晶体)，复合加工技术更有了新的用武之地，可以对陶瓷、玻璃和半导体晶片等硬脆性材料以经济、可靠的方法实现高的成形精度和极低的表面粗糙度，并可使表面及亚表面层晶体结构组织的损伤减少至最低程度。
　　 复合加工的基本形式
　　复合加工技术可以划分为机械复合加工、电化学复合加工、电火花复合加工、超生复合加工、磨料水射流加工、化学机械抛光[1]，按照上述分类，复合加工方法的基本含义概括起来如表1 所示。在普通精度机械制造领域，以常规机械加工、电化学加工、电火花加工为主的复合加工方法最为常用。近年来随着数控技术的发展和产品零件整体化设计方法的广泛应用，机械加工领域的车铣复合、铣车复合加工、切削—电加工复合加工方法得以快速发展，成为支持现代航空产品加工的重要手段，新型复合加工设备的不断推出，有力地支持了复合加工技术的发展和应用。
　　 以工序集中为基础的复合加工方法
　　以工序集中为基础的复合加工是机械加工领域采用的典型复合加工方法，通常是在一次定位装夹中，在一台设备上完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔、扩孔等多种切削加工要求。这种复合加工方法的最突出特点是工件加工工序集中、一次装夹可实现多种结构要素的加工，减少了工件定位装夹次数、消除工件周转等待时间，可以消除工件多次装夹定位造成的误差累积，有利于保证工件上关键要素的位置精度要求，同时缩短了工件的生产周期。
　　以工序集中为基础的复合加工技术一直与机床结构发展密切相关。从19 世纪40 年代转塔车床、20 世纪初期组合机床的广泛应用，到20世纪50 年代出现的三轴数控铣床、带有刀具自动交换装置的加工中心的出现，有力地推动了工序集中的复合加工加工方法的发展。20 世纪80年代中后期，随着加工中心功能和结构的完善，显示了以工序集中原则为基础的数控机床的优越性，开始出现车削中心、铣削加工中心、磨削中心等，但这些加工方式仍然限定在同一种加工方式上，尚不能称为真正意义上的复合加工方法。20 世纪90 年代后期开始出现了车铣复合中心、铣车复合中心、车铣磨复合中心等以及配有夹持工件机械手的多动力头加工单元( 如瑞典Transflex 型机床，加工过程中以工件送进方式到达配有不同刀具的动力头处进行加工，实现多工序＂复合＂)，这种不同切削加工方法的复合才真正成为了复合加工技术发展的一个新热点。
　　车铣中心以车削功能为主，并集成了铣削和镗削等功能，具有3~4 直线进给轴(车削原有的2 个直线轴、铣头增加的1~2 个直线轴)和2~3个回转轴(车削回转、铣削回转及铣头摆动)，且配有自动换刀系统。这种车铣复合加工中心是在三轴车削中心基础上发展起来的，相当于1 台车削中心和1 台铣削加工中心的复合(车削为主功能，铣削属于辅助功能)，可以在1 台车铣中心上，经过一次装夹，完成工件的车、铣、钻、镗、攻丝等加工，扩大了车削加工工艺范围。这类复合加工机床可以满足以回转结构要素加工为主的异形回转体零件高精度加工要求，是目前世界范围内最先进的机械加工设备之一。
　　铣车中心是一种以铣削功能为主，增加了工作台的回转功能以满足车削加工的需要，在保留原有3~5 轴运动方式基础上，将回转工作台作为车削回转轴，且配有自动换刀系统。这种铣车复合加工设备是在铣削加工中心基础上发展起来的，相当于1 台铣削中心和1 台车削中心的复合( 铣削为主功能，车削属于辅助功能)，可以在1 台铣车中心上，经过一次装夹，完成工件上槽、型面、开口、孔、外圆等结构的铣、车、钻、攻丝等加工，扩大了铣削加工工艺范围。这类复合加工机床可以满足以复杂型面及结构加工为主的回转体结构零件的加工要求，是近年来为满足燃气轮机、航空发动机、电站发电设备等动力机械零部件制造需求而逐步发展起来的先进机械加工设备。
　　 以能量复合为基础的复合加工方法
　　以能量复合为基础的复合加工是为了满足精密超精密加工、难加工材料加工、特殊材料加工而采用的加工方法，通常是2 种或2 种以上工艺方法的组合，在一台设备上完成同一结构的加工。这种复合加工方法的突出特点是2 种或2 种以上能量复合，其主要特征是在加工过程中工具与工件之间没有显著的切削力，加工用的工具材料硬度可以低于被加工材料的硬度，能用简单的运动加工出复杂的型面。
　　以能量复合为基础的复合加工技术具有较长时间的发展历史，重点是电解、超声、电火花、热能等与机械加工复合，满足精密加工、特种材料加工、难加工材料加工的加工需求。典型的复合加工方法有：电解在线修整磨削、超声振动切削、电解磨削、电火花超声加工、化学机械抛光等。
　　复合加工技术的典型应用实例
　　整体化薄壁结构零件是现代飞机、航空发动机结构中常见的设计形式，整体薄壁结构件不仅能满足飞机与发动机结构轻量化的设计追求，而且能满足航空产品易维护、高可靠性、长寿命的基本需求，零件主要特征是：(1)整体薄壁结构件通常壁厚尺寸小，一般只有1~3mm ;(2) 零件结构复杂，在多个方向上分布有形式不同的结构结构元素需要加工;(3)零件精度要求高，加工时装夹困难、加工过程中易产生加工变形;(4) 有些复杂结构零件采用钛合金、高温合金、高强度不锈钢等难加工材料，常规的加工方法材料去除效率低、难度大，且容易产生表面缺陷而影响零件寿命。
　　航空产品零件大多需要经过比较复杂的工艺流程、数十至数百个工序才能完成加工，保证工件加工精度和质量、提高生产效率是制造过程的永恒主题。以工序集中为基础的复合加工技术，将＂集中工序、一次装夹实现多工序复合加工＂的理念贯穿在零件切削加工过程中，为航空复杂结构零件的制造提供了新途径;以能量复合为基础的复合加工技术，则将＂能量集成、多方法同时作用实现关键结构要素的加工＂理念贯穿于难加工结构和难加工材料零件的制造过程中。
　　1 铣车复合加工技术的典型应用
　　发动机整体机匣类零件是适合铣车复合加工的典型零件结构。
　　常规的加工方法是采用车床、铣削中心配合完成加工，主要工艺路线是：毛坯制备—车床：车削一端端面—车床：车另一端端面—检验：超声波检查—车床：车下端面基准—车床：粗车上、下端—铣削中心：粗铣凸台及其端面—钳工：去毛刺—稳定处理—车床：修下端面基准—车床：半精车上、下端—车床：精车上、下端—铣削中心：精铣凸台及其端面—铣削中心：铣端面形状—铣削中心：机匣周向孔加工—钳工：去毛刺及表面修整。
　　使用铣车复合加工中心则可以将半精加工以后的工序都集中在铣车复合加工中心上，减少车床、铣削中心之间的工序转换和装夹过程，尽管工艺路线仍然与常规加工方法类似，但车削、铣削是在一次装夹状态下完成的，简化了基准传递协调过程，减少了装夹误差和工序转换周期。采用铣车复合加工中心后，稳定处理前的工序仍然与常规加工方法相同，完成修下端面基准加工后，工件就直接在铣车复合加工中心上完成后续的所有加工，简化了工件的装夹找正过程( 此类零件每次装夹找正误差通常约为0.02mm)，更重要的是，消除了凸台、孔、端面廓形三者之间因装夹变化引起的位置误差。
　　2 车铣复合加工技术的典型应用
　　飞机产品中适合车铣复合加工的零件主要包括：传动系统的扭力臂、支杆;发动机燃油喷嘴、安装座、阀体等。典型零件结构示意如图2所示。
　　常规的加工方法是采用车床、铣床及配套工装配合完成加工，主要工艺路线是：毛坯制备—划线，分配余量—车床：粗车回转体外形—铣床：以粗车的回转体外形为基准，粗铣叉耳端轮廓及端面—车床：半精车回转体外形—车床：回转体外形定位，制回转体内孔—车床：内孔定位，精车回转体外形—车床：回转体外形定位，精加工回转体内孔、镗端面孔—铣床：以回转体外形定位，铣叉耳外形、槽腔、槽口—铣床：铣长圆槽—铣床：铣叉耳孔—钳工： 去毛刺及修整。
　　使用车铣复合加工中心可以从半精车回转体外形开始，将后面所有的工序都集中到车铣复合中心上完成，减少铣削加工过程的重新定位装夹，一次完成剩余部位的加工，消除了基准协调、重新装夹引起误差累积，这类零件的加工精度可以有效地保证传动系统工作的平稳性和可靠性。此外，发动机燃油喷嘴零件、阀体零件使用车铣复合加工设备可以在一次装夹后完成具有相互位置关系的结构要素加工，保证其位置精度，更好地满足其工作性能要求。
　　3 电解磨削复合加工技术的典型应用
　　钛合金零件磨削加工的最大问题是，磨削后的工件表面会出现烧伤、裂纹、变形以及易在表层产生拉应力，磨削过程中必须采取降低磨削应力的工艺方法。为了达到低应力磨削的效果，常规的磨削工艺通常要细分磨削工序，并严格控制粗磨、半精磨、精磨3 个阶段的进给量。
　　采用电解磨削复合加工是解决钛合金零件磨削难题的有效工艺方法之一。根据电解磨削加工原理，使用金属结合剂的金刚石砂轮组成电解磨削复合加工系统，这种工艺方法在国外已经获得应用，并将其称为金刚石磨削。
　　复合加工技术在难加工材料零件制造、高精度工件加工、改善被加工零件表面质量等方面的应用，已经体现出了其自身的优势。航空产品制造领域一直是先进制造技术发挥作用的重要舞台，随着航空产品性能的提高，关键零件的高精度、高可靠性要求更为严格，复合加工技术的不断完善和发展必将为航空关键零件的制造提供更好的技术支撑。